循环展开是一种优化技术，通过减少循环控制的开销来提高程序性能。在 C++ 中，可以通过手动展开循环来实现这一点。以下是如何在 C++ 中实现循环展开的示例。
示例：向量加法的循环展开
我们将创建一个简单的向量加法示例，展示如何通过循环展开来提高性能。
1. 基本向量加法
首先实现一个简单的向量加法函数。
#include <iostream>void vector_add(const float* a, const float* b, float* result, size_t size) {for (size_t i = 0; i < size; ++i) {result[i] = a[i] + b[i];}
}
2. 循环展开的向量加法
接下来，我们手动展开循环。在这个示例中，我们将每次处理四个元素（假设 size 是 4 的倍数）。
void vector_add_unrolled(const float* a, const float* b, float* result, size_t size) {size_t i = 0;// 每次处理4个元素for (; i + 4 <= size; i += 4) {result[i] = a[i] + b[i];result[i + 1] = a[i + 1] + b[i + 1];result[i + 2] = a[i + 2] + b[i + 2];result[i + 3] = a[i + 3] + b[i + 3];}// 处理剩余的元素for (; i < size; ++i) {result[i] = a[i] + b[i];}
}
3. 主函数
在主函数中，我们将初始化数据并调用这两个函数。
int main() {const size_t size = 8; // 数据大小，必须是4的倍数float a[size] = {1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f, 5.0f, 6.0f, 7.0f, 8.0f};float b[size] = {9.0f, 10.0f, 11.0f, 12.0f, 13.0f, 14.0f, 15.0f, 16.0f};float result[size] = {0};// 使用未展开的版本vector_add(a, b, result, size);std::cout << "Result from vector_add: ";for (size_t i = 0; i < size; ++i) {std::cout << result[i] << " ";}std::cout << std::endl;// 清空结果数组std::fill(result, result + size, 0);// 使用展开的版本vector_add_unrolled(a, b, result, size);std::cout << "Result from vector_add_unrolled: ";for (size_t i = 0; i < size; ++i) {std::cout << result[i] << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}
4. 完整代码示例
以下是完整代码的集合：
#include <iostream>void vector_add(const float* a, const float* b, float* result, size_t size) {for (size_t i = 0; i < size; ++i) {result[i] = a[i] + b[i];}
}void vector_add_unrolled(const float* a, const float* b, float* result, size_t size) {size_t i = 0;// 每次处理4个元素for (; i + 4 <= size; i += 4) {result[i] = a[i] + b[i];result[i + 1] = a[i + 1] + b[i + 1];result[i + 2] = a[i + 2] + b[i + 2];result[i + 3] = a[i + 3] + b[i + 3];}// 处理剩余的元素for (; i < size; ++i) {result[i] = a[i] + b[i];}
}int main() {const size_t size = 8; // 数据大小，必须是4的倍数float a[size] = {1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f, 5.0f, 6.0f, 7.0f, 8.0f};float b[size] = {9.0f, 10.0f, 11.0f, 12.0f, 13.0f, 14.0f, 15.0f, 16.0f};float result[size] = {0};// 使用未展开的版本vector_add(a, b, result, size);std::cout << "Result from vector_add: ";for (size_t i = 0; i < size; ++i) {std::cout << result[i] << " ";}std::cout << std::endl;// 清空结果数组std::fill(result, result + size, 0);// 使用展开的版本vector_add_unrolled(a, b, result, size);std::cout << "Result from vector_add_unrolled: ";for (size_t i = 0; i < size; ++i) {std::cout << result[i] << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}
5. 性能测试
可以使用性能分析工具测量两个版本的执行时间，以观察循环展开的效果。通常，在处理大量数据时，循环展开可以显著减少循环控制的开销，提高性能。
总结
循环展开是一种有效的优化技术，它通过减少循环控制的频率，增加每次迭代中处理的数据量，从而提高程序的执行效率。在实际应用中，可以根据需要调整展开的程度，以实现最佳性能。
